Le plomb joue un rôle cosmologique et géologique unique : il est le point d'arrêt stable de trois des quatre principales chaînes de désintégration radioactive naturelle. Les isotopes stables du plomb sont les produits finaux de la désintégration de l'uranium et du thorium :
Le quatrième isotope stable, \(^{204}\mathrm{Pb}\), n'est pas radiogénique ; il est dit "primitif" et présent depuis la formation du système solaire. Ainsi, presque tout le plomb présent sur Terre aujourd'hui s'est formé par désintégration radioactive d'éléments plus lourds au cours des milliards d'années.
Ces désintégrations font du système isotopique uranium/thorium-plomb l'une des horloges géologiques les plus puissantes et les plus utilisées. En mesurant les rapports \(^{206}\mathrm{Pb}/^{238}\mathrm{U}\), \(^{207}\mathrm{Pb}/^{235}\mathrm{U}\), et \(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\) dans une roche ou un minéral (comme le zircon), les géochronologistes peuvent dater avec précision des événements allant de la formation du système solaire (4,567 Ga) à des processus géologiques récents de quelques millions d'années. C'est cette méthode qui a permis d'établir l'âge de la Terre à environ 4,54 milliards d'années.
Les rapports isotopiques du plomb servent également de traceur géochimique. Comme les différents réservoirs géologiques (manteau, croûte continentale, gisements de minerai) ont des signatures isotopiques en plomb distinctes, on peut retracer l'origine des magmas, des sédiments, ou même de la pollution atmosphérique historique (les signatures isotopiques du plomb des gaz d'échappement des années 1970 sont différentes de celles des mines romaines).
L'abondance cosmique du plomb est d'environ 1,0×10⁻¹¹ fois celle de l'hydrogène. Il est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles AGB, avec une contribution significative du processus r lors des supernovae. C'est l'élément stable le plus lourd produit efficacement par le processus s, ce qui en fait un pic d'abondance dans le spectre des éléments. Son noyau doublement magique (Z=82, protons en couche complète) lui confère une stabilité exceptionnelle.
Le symbole chimique Pb vient du latin "plumbum", qui a également donné les mots "plombier" (travailleur du plomb) et "plomberie". Dans l'alchimie, le plomb était associé à la planète Saturne et symbolisait la lourdeur, la mélancolie et la matière première à transmuter en or (le but de la "Grande Œuvre").
Le plomb est l'un des premiers métaux travaillés par l'homme, avec le cuivre et l'or. Sa facilité d'extraction (réduction simple du minerai galène, PbS) et ses propriétés (malléable, fusible, résistant à la corrosion) en firent un matériau de choix pour les Romains. Ils l'utilisèrent massivement pour :
Certains historiens avancent que l'intoxication chronique au plomb (saturnisme) a pu contribuer au déclin de l'élite romaine, affectant la fertilité et les capacités intellectuelles.
L'usage du plomb perdura : toitures et vitraux des cathédrales, caractères d'imprimerie, munitions (balles, grenaille), pigments de peinture (céruse pour le blanc, chromate de plomb pour le jaune), et poids. La révolution industrielle amplifia considérablement sa production et ses usages, notamment avec l'avènement de la peinture au plomb et de l'essence au plomb au XXe siècle.
Le principal minerai de plomb est la galène (PbS), un minéral cubique gris métallique souvent associé à la blende (ZnS) et à l'argent. Les principaux pays producteurs sont la Chine (environ la moitié de la production mondiale), l'Australie, les États-Unis, le Pérou et le Mexique. La production minière annuelle est d'environ 4,5 millions de tonnes. Une part importante (plus de 50%) provient aujourd'hui du recyclage, notamment des batteries.
Le prix du plomb est modéré et suit généralement les cycles économiques et la demande de l'industrie automobile (pour les batteries).
Le plomb (symbole Pb, numéro atomique 82) est un élément post-transitionnel, situé dans le groupe 14 (groupe du carbone) du tableau périodique, avec le carbone, le silicium, le germanium et l'étain. C'est le membre le plus lourd et le plus métallique de ce groupe. Son atome possède 82 protons, généralement 125 à 126 neutrons (pour les isotopes \(^{207}\mathrm{Pb}\) et \(^{208}\mathrm{Pb}\)) et 82 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p². Il possède quatre électrons de valence (6s² 6p²).
Le plomb est un métal gris bleuâtre, dense, mou, malléable et avec un faible point de fusion.
Le plomb cristallise dans une structure cubique à faces centrées (CFC).
Le plomb fond à 327,46 °C (600,61 K) et bout à 1749 °C (2022 K). Sa large plage de température à l'état solide et sa facilité de moulage ont historiquement facilité son utilisation.
Le plomb est un métal plutôt peu réactif en raison de la formation d'une couche protectrice d'oxyde, de carbonate ou de sulfate à sa surface. Il résiste bien à la corrosion atmosphérique et à l'attaque par de nombreux agents chimiques, notamment l'acide sulfurique concentré (utilisé dans les batteries). Cependant, il est attaqué par les acides nitrique et acétique.
Densité : 11,34 g/cm³.
Point de fusion : 600,61 K (327,46 °C).
Point d'ébullition : 2022 K (1749 °C).
Structure cristalline : Cubique à faces centrées (CFC).
Configuration électronique : [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p².
États d'oxydation principaux : +2 et +4.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Plomb-204 — \(^{204}\mathrm{Pb}\) | 82 | 122 | 203,973044 u | ≈ 1,4 % | Stable | Seul isotope stable non radiogénique. Isotope "primitif", utilisé comme référence dans les calculs de géochronologie. |
| Plomb-206 — \(^{206}\mathrm{Pb}\) | 82 | 124 | 205,974465 u | ≈ 24,1 % | Stable | Produit final stable de la désintégration de l'\(^{238}\mathrm{U}\). Isotope radiogénique majeur. |
| Plomb-207 — \(^{207}\mathrm{Pb}\) | 82 | 125 | 206,975897 u | ≈ 22,1 % | Stable | Produit final stable de la désintégration de l'\(^{235}\mathrm{U}\). Crucial pour la datation \(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\). |
| Plomb-208 — \(^{208}\mathrm{Pb}\) | 82 | 126 | 207,976652 u | ≈ 52,4 % | Stable | Produit final stable de la désintégration du \(^{232}\mathrm{Th}\). Isotope stable le plus abondant et le plus lourd connu (noyau doublement magique). |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le plomb possède 82 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p² présente quatre électrons de valence dans la couche 6 (s² p²), comme le carbone ou le silicium, mais avec des effets relativistes marqués qui rendent la paire 6s² très inertre ("effet de paire inerte"). Cela peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(4), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p².
Couche K (n=1) : 2 électrons (1s²).
Couche L (n=2) : 8 électrons (2s² 2p⁶).
Couche M (n=3) : 18 électrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Couche N (n=4) : 32 électrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
Couche O (n=5) : 18 électrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
Couche P (n=6) : 4 électrons (6s² 6p²).
Le plomb possède 4 électrons de valence (6s² 6p²). Cependant, en raison de l'effet de paire inerte, l'état d'oxydation +2 (où seule la paire 6p² est perdue) est plus stable et plus courant que l'état +4 (qui nécessiterait de perdre aussi la paire 6s², stabilisée).
Cette chimie contraste avec celle du carbone, où l'état +4 est la règle, illustrant l'évolution des propriétés dans un groupe du tableau périodique.
Le plomb fraîchement coupé a un éclat métallique qui ternit rapidement à l'air en formant une fine couche grise de monoxyde de plomb (PbO) et de carbonate basique de plomb (2PbCO₃·Pb(OH)₂), qui le protège d'une oxydation plus profonde. Lorsqu'il est chauffé en présence d'air, il forme d'abord du litharge (PbO, jaune), puis, à plus haute température, du minium (Pb₃O₄, rouge), un pigment historique.
Inventée en 1859 par Gaston Planté, c'est la première batterie rechargeable. Son succès tient à sa fiabilité, son faible coût et sa forte capacité à fournir des courants intenses.
Principe :
Électrode négative : Plomb spongieux (Pb).
Électrode positive : Dioxyde de plomb (PbO₂).
Électrolyte : Acide sulfurique (H₂SO₄) à ~30%.
Réaction de décharge : Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
Les applications sont omniprésentes : démarrage des véhicules (SLI), alimentation de secours (UPS), véhicules électriques (traction), systèmes photovoltaïques hors-réseau. Le recyclage de ces batteries est très efficace (>99% dans les pays développés).
La forte densité et le numéro atomique élevé du plomb en font un écran idéal contre les rayonnements ionisants. Il absorbe efficacement les rayons X et gamma. On l'utilise sous forme de :
Le plomb est un toxique cumulatif sans fonction biologique connue. Il interfère avec de nombreux processus enzymatiques en se substituant à d'autres ions métalliques essentiels, notamment le calcium (Ca²⁺) et le zinc (Zn²⁺). Ses cibles principales sont :
Il n'existe pas de seuil d'innocuité démontré, surtout pour les enfants. L'OMS considère qu'une plombémie (taux de plomb dans le sang) supérieure à 5 µg/dL chez l'enfant est préoccupante. Les autorités sanitaires recommandent le "principe de précaution" : réduire l'exposition au maximum.
Le plomb émis dans l'atmosphère se dépose sur les sols et les eaux. Il est peu mobile dans la plupart des sols et s'accumule dans les couches superficielles. Dans les environnements acides, il peut devenir plus mobile et contaminer les nappes phréatiques. Il ne se dégrade pas ; sa persistance est millénaire.
Des cas emblématiques incluent la ville de Kabwe en Zambie (pollution de l'ancienne mine de plomb), le quartier de West Dallas aux États-Unis (ancienne fonderie), et la contamination généralisée par l'essence au plomb, dont les retombées sont mesurables dans les glaces polaires et les sédiments lacustres du monde entier.
C'est un modèle d'économie circulaire. Les batteries usagées sont collectées, broyées, et les composants sont séparés. Le plomb est refondu et raffiné pour produire du plomb secondaire de qualité identique au plomb primaire. Ce procédé utilise jusqu'à 80% d'énergie en moins que l'extraction minière.
Face à la toxicité avérée, une réglementation internationale stricte a été mise en place :
La dépollution est complexe et coûteuse. Les méthodes incluent l'excavation et l'enfouissement des sols contaminés, la stabilisation/solidification (blocage du plomb dans une matrice), ou la phytoremédiation (utilisation de plantes accumulatrices, comme certaines fougères).
Le plomb illustre le paradoxe d'un matériau utile mais dangereux. L'objectif est de :
L'histoire du plomb est un avertissement puissant sur la nécessité d'évaluer les impacts à long terme des technologies avant leur diffusion massive.
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
